JPH0567839A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 寿命の長い高出力化された半導体レーザ装置
を提供する。 【構成】 （１，０，０）面から［０，１，−１］方向
に傾斜角度θが０＜θ≦１０度の範囲で傾斜したＧａＡ
ｓ半導体基板１０２の主面１０３上に、間にＩｎＧａＰ
のアンドープ活性層１０６を備えてＩｎＧａＡｌＰ系の
第１，第２クラッド層１０５，１０７を結晶成長させ、
［０，１，１］方向に電流狭窄用の溝１０９を形成し、
（０，１，１）面に平行な劈開面で共振器を形成して半
導体レーザ装置が構成される。そして活性層１０６は格
子不整が小さく内部歪が少なくなるような組成に設定し
ているにもかかわらず、自然超格子構造が助長されたも
のとなっていてバンドギャップエネルギが小さくなり、
第１，第２クラッド層１０５，１０７とのバンドギャッ
プエネルギの差は大きなものとなり、装置は比較的容易
に作成することができると共に寿命が長く高出力で駆動
できるものとなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、可視光のＩｎＧａＡｌ
Ｐ系の半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、半導体レーザ装置の近年に
おける進展は目覚ましいものがあり、ＩｎＧａＡｌＰ系
可視光半導体レーザも様々な応用の可能性を持ってお
り、この様なレーザを用いた半導体レーザ装置が、例え
ば光ディスクシステムやレーザプリンタあるいはバーコ
ードリーダ、ポインタ等の光源として用いられている。

【０００３】以下、従来の半導体レーザ装置と、近時、
半導体基板上に成長させた結晶に関し明らかにされてい
る技術を図面を参照して説明する。

【０００４】先ず、従来の半導体レーザ装置として利得
導波型のＩｎＧａＡｌＰ系可視光半導体レーザ装置を取
り上げ、これを形成するレーザ素子について図２を参照
して説明する。図２は斜視図で、レーザ素子１はｎ型Ｇ
ａＡｓ半導体基板２の（１，０，０）面の面上に、減圧
ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapour Depositi
on）法による結晶成長によってｎ型のＧａＡｓバッファ
層３、ｎ型でＩｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ
（０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の第１クラッド層４、
Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＰ （０＜ｚ＜１）のアンドープ活性
層５、ｐ型でＩｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ
（０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の第２クラッド層６、
ｎ型のＧａＡｓブロック層７の各層が順次連続的に形成
されている。そしてブロック層７には第２クラッド層６
までの深さの電流狭窄用の溝８が［０，１，−１］方向
に削設されており、さらに溝８及びブロック層７の上面
にはｐ型ＧａＡｓコンタクト層９が結晶成長されてい
る。さらに、コンタクト層９の上面及び半導体基板２の
下面にはそれぞれｐ側電極１０及びｎ側電極１１が形成
されており、（０，１，−１）面に平行な２つの劈開面
１２．１２をミラー面として共振器が構成されている。

【０００５】また、一般に上記のようにＧａＡｓ半導体
基板２の（１，０，０）面の面上に、ＭＯＣＶＤによっ
てＩｎＧａＡｌＰ系混晶を成長させた場合、ある特定の
成長温度ではある程度の自然超格子構造になることが知
られている。そして半導体基板２上に積層される混晶が
自然超格子構造のような規則性を持ったものになる程度
は、成長温度やＶ／III 比などの成長条件に依存するこ
とも知られている。

【０００６】一方、一般に上記のようにＧａＡｓ半導体
基板２を使用したものでは活性層５の組成がＩｎ_０．５
Ｇａ_０．５Ｐの場合、その格子定数は略ＧａＡｓの格子
定数と等しくなっている。また通常用いられている発振
波長が６７０ｎｍ程度のレーザ素子１の活性層５は、あ
る程度規則性を持った結晶になるような成長条件の領域
で結晶成長されており、このバンドギャップエネルギは
室温で１．８６ｅＶ程度になるように設定されている。

【０００７】そして、上記のような状況のもとで半導体
レーザ装置ではより高出力化することが要望されてお
り、高出力化するためにはレーザ素子１の活性層５とク
ラッド層４、６のバンドギャップエネルギ差をなるべく
大きく取る必要があり、その方法として２つの方法があ
るが各々次のような問題がある。

【０００８】（１）活性層５のバンドギャップエネルギ
を小さくする方法では、Ｉｎ_１−ｚＧａ_ｚＰの活性層５
のＧａ混晶比ｚを０．５以下にするようにするが、活性
層５のＧａＡｓに対する格子整合が＋側にずれてしま
い、結晶成長の過程において転位が発生しやすくなる。
そしてレーザ素子１としたときにも、それ自体に内部歪
を持ったものとなってしまう。この様な素子１では発振
中に転位が増殖されてしまい、特性の劣化が早く、短寿
命となってしまう。またＧａ混晶比ｚ＝０．５とした活
性層５ではＧａＡｓの半導体基板２との格子整合がほぼ
とれているが、この状態での活性層５のバンドギャップ
エネルギを１．８６ｅＶより小さくすることは非常に困
難である。

【０００９】（２）クラッド層４，６のバンドギャップ
エネルギを大きくする方法では、Ｉｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡ
ｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）のク
ラッド層４，６のＡｌ混晶比ｘを大きくするようにする
が、ｘを大きくすると第２クラッド層６でのｐ型ドーピ
ングの飽和レベルが下がり、十分に高いキャリア濃度が
得られなくなる。そして第２クラッド層６のキャリア濃
度が低いと、素子抵抗が増加して素子の発振しきい電流
が大きくなってしまい、また活性層５と第２クラッド層
６の間の伝導体ヘテロ障壁の高さが小さくなり、キャリ
ア電子のオーバーフローが増加してしまい、素子動作電
流が増加して温度特性が悪くなってしまう。

【００１０】このため、ＩｎＧａＡｌＰ系の半導体レー
ザ装置ではより高出力化することが困難なものとなって
いる。

【００１１】次に、近時、半導体基板上に成長させた結
晶に関し明らかにされている技術について、図３を参照
して説明する。図３は特性図で、これは面方位が（１，
０，０）ジャストのＧａＡｓ半導体基板の面上と、
（１，０，０）面から［０，１，１］方向及び［０，
１，−１］方向にオフさせたＧａＡｓ半導体基板上と
に、それぞれ成長させたＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの結晶
のＰＬ（フォトルミネセンス）ピークエネルギを示すも
ので、横軸にオフ角度をとり、縦軸にＰＬピークエネル
ギを取って示すものである。これによれば［０，１，−
１］方向にオフさせたＧａＡｓ半導体基板上に結晶成長
させた場合には、（１，０，０）ジャストの半導体基板
及び［０，１，１］方向へオフさせた半導体基板に成長
させた場合に比較し、同一のオフ角度に対しＰＬピーク
エネルギは小さな値になっている。そしてこのＰＬピー
クエネルギが小さな値となるのは［０，１，−１］方向
にオフさせた半導体基板に結晶成長させた場合には自然
超格子の発生が助長されるからであることが知られてい
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような高出力化
が困難な状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目
的とするところは製造工程の大幅な変更を伴わずに比較
的容易に作成することができ、寿命が長い高出力化され
た半導体レーザ装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、第１導電型ＧａＡｓ半導体基板と、この半導体基
板に形成された（１，０，０）面から［０，１，−１］
方向に傾斜した一主面と、この一主面上に少なくとも結
晶成長により積層された第１導電型でＩｎ_ｙ（Ｇａ
_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜
１）の組成を有する第１クラッド層と、Ｉｎ_１−ｚＧａ
_ｚＰ （０＜ｚ＜１）の組成を有するアンドープ活性層
及び第２導電型でＩｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ
（０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の組成を有する第２
クラッド層とを備えていることを特徴とするものであ
り、また第１導電型ＧａＡｓ半導体基板と、この半導体
基板に形成された（１，０，０）面から［０，１，−
１］方向に傾斜した一主面と、この一主面上に少なくと
も結晶成長により積層された第１導電型でＩｎ_ｙ（Ｇａ
_{１− ｘ}Ａｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜
１）の組成を有する第１クラッド層と、Ｉｎ_１−ｚＧａ
_ｚＰ （０＜ｚ＜１）の組成を有するアンドープ活性層
及び第２導電型でＩｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ
（０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の組成を有する第２
クラッド層とを備え、かつ（０，１，１）面に平行な劈
開面で共振器を構成していることを特徴とするものであ
り、さらに第１導電型ＧａＡｓ半導体基板の（１，０，
０）面から［０，１，−１］方向へ傾斜した一主面の傾
斜角θが０＜θ≦１０度であることを特徴とし、また活
性層がＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの組成を有するものであ
ることを特徴とするものである。

【００１４】

【作用】上記のように構成された半導体レーザ装置は、
（１，０，０）面から［０，１，−１］方向に傾斜した
ＧａＡｓ半導体基板の一主面上に結晶成長によりＩｎＧ
ａＡｌＰ系の第１，第２クラッド層と、これらの第１，
第２クラッド層の間にＩｎＧａＰの組成を有するアンド
ープ活性層を備える構成となっており、傾斜したＧａＡ
ｓ半導体基板上にそれぞれ結晶成長された各層のうちア
ンドープの活性層では、格子不整が小さく内部歪が少な
くなるよう組成を設定しているが、これは自然超格子構
造が助長されたものとなっていて、またＧａＡｓ半導体
基板の一主面の傾斜角度θが０＜θ≦１０度の範囲で
は、室温でのバンドギャップエネルギが１．８５ｅＶ以
下と従来と比較して小さなものとなる。それ故、半導体
レーザ装置は、不純物がドープしてあるために規則性を
持たず無秩序化された結晶となっている第１，第２クラ
ッド層と、アンドープ活性層とのバンドギャップエネル
ギの差は大きなものとなり、また（０，１，１）面に平
行な劈開面で平行なミラー面を形成して共振器を構成す
ることで、比較的容易に作成することができると共に寿
命が長く高出力で駆動できるものとなる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１を参照して説
明する。図１は利得導波型半導体レーザ装置を形成する
レーザ素子の斜視図で、レーザ素子１０１は、ｎ型Ｇａ
Ａｓ半導体基板１０２を用いて形成されており、半導体
基板１０２は一主面１０３として（１，０，０）面から
［０，１，−１］方向に傾斜角θが０＜θ≦１０度の範
囲で傾斜した面を備えている。

【００１６】この（１，０，０）面に対し傾斜した半導
体基板１０２の主面１０３上に、原料としてメチル系 I
II族有機金属のトリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉ
ｎ），トリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ），トリ
メチルアルミニウム（（ＣＨ_３）_３Ａｌ）と、Ｖ族水素
化物のホスフィン（ＰＨ_３），アルシン（ＡｓＨ_３）と
を使用し、大気圧未満に減圧した状態でのＭＯＣＶＤ法
によって、順次下層からｎ型のＧａＡｓバッファ層１０
４、厚さが１μｍでｎ型のＩｎ_０．５（Ｇａ_{１ −ｘ}Ａｌ
_ｘ）_０．５Ｐ （０．３＜ｘ≦１）の第１クラッド層１
０５、厚さが０．０３〜０．０４μｍのＩｎ_０．５Ｇａ
_０．５Ｐのアンドープ活性層１０６、厚さが１μｍでｐ
型のＩｎ_０．５（Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_０．５Ｐ （０．
３＜ｘ≦１）の第２クラッド層１０７、ｎ型のＧａＡｓ
ブロック層１０８が各原料の量を調整しながら連続成長
されて形成されている。なお両クラッド層１０５，１０
７のＡｌの混晶比ｘは通常とられる０．７程度にしてあ
る。

【００１７】また、ブロック層１０８には、幅が数μｍ
で第２クラッド層１０７までの深さを有する断面が逆メ
サ形状の電流狭窄用の溝１０９が、［０，１，１］方向
に公知のエッチング加工を行うことによって削設されて
いる。

【００１８】さらに溝１０９及びブロック層１０８の上
面には、続けて原料としてトリメチルガリウムとアルシ
ンとを使用した減圧ＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＧａＡ
ｓコンタクト層１１０が結晶成長されている。そしてコ
ンタクト層１１０の上面及び半導体基板１０２の下面に
はそれぞれｐ側電極１１１及びｎ側電極１１２が蒸着に
よって形成してウエハを形成し、このウエハを（０，
１，１）面に平行な２つの劈開面１１３，１１３をミラ
ー面として共振器が構成されるように劈開し、３００μ
ｍ角のレーザ素子１０１が形成されている。

【００１９】なお、ｎ型の第１クラッド層１０５及びｐ
型の第２クラッド層１０７はそれぞれｎ型ドーパントと
してＳｉが、ｐ型ドーパントとしてＺｎが用いられてお
り、ｎ型の第１クラッド層１０５のキャリア濃度は３×
１０^１７ｃｍ^−３程度となっており、またｐ型の第２ク
ラッド層１０７のキャリア濃度は６×１０^１７ｃｍ^{− ３}
程度となっていて、両クラッド層１０５，１０７は格子
定数がいずれもＧａＡｓ半導体基板１０２と等しく形成
されている。そして第１及び第２クラッド層１０５，１
０７にはＳｉ及びＺｎがドープしてあるために原子配列
は規則性を持たない無秩序化された結晶となっており、
ｐ型の第２クラッド層１０７のキャリア濃度が５〜７×
１０^１７ｃｍ^−３程度の範囲にあるため、その室温での
バンドギャップエネルギが２．３５ｅＶ程度となってい
る。

【００２０】さらに、アンドープ活性層１０６は（１，
０，０）面から［０，１，−１］方向に傾斜された半導
体基板１０２上へのＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの結晶成長
であるため、原子配列が自然超格子構造となり規則性を
持った結晶となっていて、半導体基板１０２の主面１０
３の傾斜角度θが０＜θ≦１０度の範囲では、室温での
バンドギャップエネルギが１．８５ｅＶ以下となってお
り、特に半導体基板１０２の主面１０３の傾斜が傾斜角
度θ＝４〜５度では極小値約１．８３ｅＶとなり、また
格子定数がＧａＡｓ半導体基板１０２と略等しく形成さ
れている。

【００２１】本実施例は上記のように構成されているた
め、活性層１０６は組成を格子不整が小さくなるように
設定しているので内部歪が少なく、素子特性の劣化が抑
制されて長寿命化が計られ、またバンドギャップエネル
ギが１．８５ｅＶ以下と低く、活性層１０６と第２クラ
ッド層１０７のバンドギャップエネルギの差を室温で
０．５ｅＶ以上に大きくとることができる。それ故、活
性層１０６から第２クラッド層１０７へのキャリア電子
のオーバーフローを減少させることができ、また温度特
性に特に影響を及ぼす有効質量の小さい電子の第２クラ
ッド層１０７へのオーバーフローも少なくでき、レーザ
素子１０１の動作電流を小さくすることができて温度特
性が改善され、レーザ素子１０１を高出力で駆動するこ
とができる。

【００２２】尚、上記の実施例においては利得導波型の
レーザ素子１０１の例で説明したが、本発明は屈折率導
波型のレーザ素子にも適用できるものであり、また活性
層１０６のＧａ混晶比も０．５に限定されるものではな
く、活性層１０６の格子不整による内部歪が問題となら
ず、なおかつバンドギャップエネルギが１．８５ｅＶ以
下となるような混晶比であればよい等、要旨を逸脱しな
い範囲内で適宜変更して本発明は実施し得るものであ
る。

【００２３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、（１，０，０）面から［０，１，−１］方向に傾斜
したＧａＡｓ半導体基板の一主面上に結晶成長によりＩ
ｎＧａＡｌＰ系の第１，第２クラッド層と、これらの第
１，第２クラッド層の間にＩｎＧａＰの組成を有するア
ンドープ活性層を備える構成としたことにより、製造工
程の大幅な変更を伴わずに比較的容易に作成することが
でき、かつ寿命が長く高出力で駆動できる等の効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる斜視図である。

【図２】従来例に係わる斜視図である。

【図３】従来技術を説明するための特性図である。

【符号の説明】

１０１…レーザ素子 １０２…半導体基板 １０３…主面 １０５…第１クラッド層 １０６…アンドープ活性層 １０７…第２クラッド層 １１３…劈開面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１導電型ＧａＡｓ半導体基板と、この
   半導体基板に形成された（１，０，０）面から［０，
   １，−１］方向に傾斜した一主面と、この一主面上に少
   なくとも結晶成長により積層された第１導電型でＩｎ_ｙ
   （Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０
   ＜ｙ＜１）の組成を有する第１クラッド層と、Ｉｎ
   _１−ｚＧａ_ｚＰ （０＜ｚ＜１）の組成を有するアンド
   ープ活性層及び第２導電型でＩｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡ
   ｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の組
   成を有する第２クラッド層とを備えていることを特徴と
   する半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 第１導電型ＧａＡｓ半導体基板と、この
   半導体基板に形成された（１，０，０）面から［０，
   １，−１］方向に傾斜した一主面と、この一主面上に少
   なくとも結晶成長により積層された第１導電型でＩｎ_ｙ
   （Ｇａ_１−ｘＡｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０
   ＜ｙ＜１）の組成を有する第１クラッド層と、Ｉｎ
   _１−ｚＧａ_ｚＰ （０＜ｚ＜１）の組成を有するアンド
   ープ活性層及び第２導電型でＩｎ_ｙ（Ｇａ_１−ｘＡ
   ｌ_ｘ）_１−ｙＰ （０．３＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の組
   成を有する第２クラッド層とを備え、かつ（０，１，
   １）面に平行な劈開面で共振器を構成していることを特
   徴とする半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 第１導電型ＧａＡｓ半導体基板の（１，
   ０，０）面から［０，１，−１］方向へ傾斜した一主面
   の傾斜角θが０＜θ≦１０度であることを特徴とする請
   求項１及び２記載の半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 活性層がＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの組成
   を有するものであることを特徴とする請求項１及び２、
   ３記載の半導体レーザ装置。